2018 Fiscal Year Annual Research Report
Study on thermal response dynamics in nano structures
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16H03820
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
北島 正弘 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, NIMS特別研究員 (00343830)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長尾 忠昭 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, MANA主任研究者 (40267456)
島田 透 弘前大学, 教育学部, 講師 (40450283)
片山 郁文 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80432532)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ナノ構造物性 / 局在光・熱物性 / 熱伝導 / フォノン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高効率な熱電変換材料の候補材料として期待される、BiーSb系極薄膜の熱伝搬応答を調べるため、音響フォノンダイナミクスの研究を行った。
１）Bi1-xSbxの極薄膜作成：極薄単結晶膜は、MBE法を用い、Si(111)洗浄表面基板上に作成した。MBE膜の平坦化は360Kx10分の低温アニールにより行い、また膜の結晶性は反射型高速電子回折により確認した。膜組成(x=0~0.19)および膜厚(8nm~60nm)はX線回折および原子間力顕微鏡を用い、それぞれ決定した。
２）コヒーレント音響フォノンの測定：用いた超高速測定系では、ポンプ光はシェーカーを経由しプローブ光は時間遅延ステージを経由してサンプルに集光する光路をとるため、短周期（10fs台~100fs台）の光学フォノンと長周期（10ps台~ns）の音響フォノンを同時に捉えることができる。
観測された過渡反射率変化には、周期数100fsの光学フォノン（Bi-Bi伸縮、Bi-Sb伸縮およびSb-Sb伸縮モード）による変調に加えて、数10psの長い周期をもつ変調が観察された。後者は極薄膜に閉じ込められたコヒーレント音響フォノンに対応する振動である。この音響フォノンの周波数は膜厚に強く依存して変化した。組成x~0.15の膜について、自由端の定在波を仮定して音速を求めると、厚膜側（30nm~60nm）ではほぼバルクの値に近いが、薄膜側（<20nm）では薄くなるにつれて音速は減少することが分かった。これは観測されたコヒーレント音響フォノンが表面由来による振動であることを表す。Bi-Sb系は組成変動に伴い電子構造が金属から半導体に変化する系としても知られており、極薄膜での熱伝搬挙動は表面電子構造に深く関係することが示唆される。得られた結果は薄膜材料での熱伝導率制御ひいては新たな熱電変換材料の開発につながる手がかりなるとものと期待される。
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| Research Progress Status |
平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
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